4. Дифференциальные каскады. Схемотехника дифференциальных каскадов. Схемотехника компараторов
4.1. Дифференциальные каскады. Схемотехника дифференциальных каскадов усиления
Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из наиболее универсальных и распространенных видов усилителей. Он имеет два симметричных входа, и его функциональное назначение состоит в усилении разности входных сигналов.
Дифференциальный усилитель образует пара схем с общим истоком, где выводы истоков соединены друг с другом и подключены к общему источнику тока. В интегральных дифференциальных усилителях на МОП транзисторах вывод подложки n-канальных МОП-транзисторов соединяется с отрицательным напряжением питания, а p-канальных – с положительным. В качестве нагрузки дифференциальной пары могут использоваться резисторы и различные комбинации МОП-транзисторов: транзистор в диодном подключении, источники тока, токовое зеркало (отражатель тока).
Схема дифференциального каскада усиления на n-канальных транзисторах с резистивной нагрузкой и идеальным источником тока приведена на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схема дифференциального каскада усиления на n-канальных МОП-транзисторах с резистивной нагрузкой и идеальным источником тока
Сумма токов через источник тока постоянна:
,
(4.1)
где
– ток, протекающий через левую ветвь
ДУ;
– ток,
протекающий через правую ветвь ДУ.
В
последующем изложении принимается, что
.
Кроме того, входные напряжения
и
заменяются синфазным напряжением
и разностным
напряжением
:
,
(4.2)
,
(4.3)
Отсюда следует:
,
. (4.4)
При
равных входных напряжениях (
,
)
реализуется симметричный режим, и ток
от источника тока разделяется поровну
между обоими транзисторами:
.
В этом случае для выходных напряжений можно записать:
,
где
– напряжение питания (B).
Изменения
синфазного напряжения
называются
синфазным
сигналом. Он
ничего не меняет в распределении тока,
пока транзисторы и источник тока не
подвергнутся перегрузкам. Следовательно,
при синфазном сигнале выходные напряжения
остаются неизменными. Усиление синфазного
сигнала
.
(4.5)
В
идеальном случае равно нулю, но на
практике оно характеризуется небольшой
отрицательной величиной
.
Причиной тому служит наличие внутреннего
сопротивления реального источника
тока. При наличии разностного входного
напряжения
распределение
тока изменяется, а вместе с ним меняются
и выходные напряжения. Такой сигнал
называют дифференциальным
сигналом, а
соответствующее усиление – дифференциальным
коэффициентом усиления:
.
(4.6)
Эта
величина отрицательная и лежит в
интервале
.
При использовании резистивной нагрузки
или
при замене их источником тока.
Отношение дифференциального коэффициента усиления к синфазному называется ослаблением синфазного сигнала:
.
(4.7)
В
идеальном случае
и, следовательно,
.
В зависимости от внутреннего сопротивления
источника тока реальный дифференциальный
усилитель характеризуется ослаблением
синфазного сигнала
.
Среди особенностей дифференциального усилителя центральное место занимает следующее положение: он усиливает разностное напряжение между обоими входами независимо от напряжения синфазного сигнала, пока оно остается меньше некоторой предельной величины.
Таким
образом, выходные напряжения в допустимом
интервале определяются током источника
тока, а не напряжением синфазного сигнала
.
Поэтому рабочая точка малосигнального
режима также не зависит от
в
широких пределах. Хотя вслед за изменениями
варьируются
и некоторые другие напряжения, величины,
определяющие положение рабочей точки
(выходные напряжения и токи), остаются
практически неизменными. Это качество
отличает дифференциальный усилитель
от всех остальных и облегчает установку
рабочей точки и связей в многокаскадных
усилителях. Здесь не нужны цепи для
согласования уровней постоянного
напряжения, например в виде разделительных
конденсаторов связи.
Еще одно преимущество дифференциального усилителя заключается в подавлении влияния температурных колебаний в обеих ветвях, поскольку они действуют аналогично синфазной модуляции. В интегральных схемах по той же причине эффективно ослабляется влияние разброса параметров элементов, так как соседние транзисторы и резисторы дифференциального усилителя в первом приближении характеризуются допусками одного и того же знака.
На рис. 4.2 приведены малосигнальные эквивалентные схемы для разностного и синфазного сигналов для схемы ДУ.
а)
б)
Рис. 4.2. а) Дифференциальный n-канальный усилитель:
а – эквивалентная схема с общим истоком для разностного сигнала;
б – эквивалентная схема с общим истоком для синфазного сигнала
По малосигнальной эквивалентной схеме для синфазного сигнала найдем усиление синфазного сигнала AGl, выходное ra,Gl и входное re,Gl сопротивления для синфазного сигнала:
,
(4.8)
, (4.9)
, (4.10)
, (4.11)
, (4.12)
,
(4.13)
,
(4.14)
где S – крутизна транзистора по подложке (А/В).
Коэффициенты усиления разностного и синфазного сигналов могут быть выражены соответственно через выходные сопротивления для этих сигналов, что с учетом выражений (4.8) – (4.14) позволяет записать следующие основные соотношения для симметричного дифференциального усилителя:
,
(4.15)
,
(4.16)
.
(4.17)